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我们能否像植物一样光合作用?

时间:2013-01-06 16:36:47  来源:  作者:

太阳崇拜者

人类能否找到办法做到像植物一样利用太阳的能量来喂饱自己?似乎听上去有些离谱,但是我们有证据表明已经有动物在某种形式上已经做到了这一点(版权归属:Thinkstock)

 


一些动物能够有办法利用太阳的能量来养活自己,这样的发现引发了一个有趣的想法,人类在未来某一天究竟能否利用太阳能制造营养。

 

生长、打猎或者觅食是人类必做之事。然而很多生物并未有如此束缚。植物、藻类和很多种的细菌都可以通过光合作用来自给自足。它们利用阳光使体内发生化学作用,就能生产糖分。人类可能做到这样类似的事情吗?我们的身体能否发生改变从而从太阳获取能量,就像植物做到的一样。


动物不能光合作用,这是自然法则,但是所有规则都有例外。豌豆蚜,农民的敌人,遗传学家的朋友,它是最近发现的异类,在这方面很有潜力。上个月, 法国索菲亚阿格罗生物技术研究所的Alain Robichon说,蚜虫利用类胡萝卜素这种色素来捕获太阳能来制造ATP,ATP这种微粒扮演着化学能储藏室的角色。这种蚜虫是少数能够为自己创造这些色素的动物,因为它们拥有真菌的一些基因。绿色蚜虫(它有很多的类胡萝卜素),和白色蚜虫相比(几乎没有类胡萝卜素)能生产更多的ATP,而橘色蚜虫(类胡萝卜素水平处于两者之间),比起在黑暗中,它在阳光下产生的ATP更多。


另外一种昆虫,东方胡蜂,也许会相似的把戏,它利用的是一种不同的叫做黄蝶呤的色素将光转化为电能。这两种昆虫都能利用自己的能力来作为备用生产手段,当缺乏供给或者需求提高时,就能以此提供能量。但是以上两个案例还存有争议,而且色素在此间起到的实际的具体作用还是不清楚。两个案例中没有一个进行的是真正的光合作用,真正的光合作用的过程应该包括将二氧化碳转化为糖分以及其它类似的化合物。利用太阳能只是一个完整转化过程的一部分。

 


然而,还是有完全意义上的光合作用的动物。它们当中的所有物种都是依靠共生来实现光合作用的。珊瑚是最经典的例子。成百上千类似海葵的软体动物聚集在一起,寄居在它们自己制造的巨大岩礁上。它们依赖住在它们细胞里的特殊伙伴腰鞭毛虫才得以生存,这是一种在显微镜下才看得见的藻类。这些居民,也叫内共生体,可以进行光合作用,就能为珊瑚提供营养。


一些海葵、蛤蜊、海绵动物以及蠕虫也有光合作用的内共生体,而且脊椎动物中也有至少一个代表加入了这一行列:斑点钝口螈。它绿油油的蛋满载着海藻,这些海藻真的就进入到里面的胚胎,把它变成了利用太阳能的动物。当斑点钝口螈成年时,海藻就死去了,但在此之前,在它们生活的早期阶段,海藻还是为它们提供了有用的能量。


太阳的伙伴


尽管我们看到了以上这些形形色色的例子以外,光合作用的共生体只是又一个例外,而不是规律。在一篇经典的论文中,植物学家David Smith以及昆虫学家Elizabeth Bernays 这样解释道:像这样的伙伴关系比起它们看上去得要复杂的多。宿主需要“给予”共生体以营养。它们需要极尽所能来说服共生体释放自己制造的营养,而不是为了自己而将其深藏起来。它们需要控制共生体的生长,这样共生体一族就不会胡作非为。它们还要把它们的共生伙伴转移到它们的下一代(珊瑚会将共生体释放到周围水域)。


但是要种下这样关系的种子并不如看上去那么难。2011年,加州大学洛杉矶分校的合成生物学家Christina Agapakis令斑马鱼来接纳了会光合作用的细菌,在斑马鱼胚胎期,她就简单地将细菌注入这种鱼。在博客中她写道:“最大的惊喜就是什么也没发生。”这种鱼不会光合作用,但是它们并没有排斥这种细菌。Agapakis的实验表明脊柱动物可以至少忍受光合微生物的存在,或者适应像婴儿期蝾螈供给的那种方式。又经过一番努力,她甚至使得细菌进入了哺乳动物的细胞。


除了装备整个共生体以外,我们还有另一种选择:只是获取加工厂。在植物和海藻的细胞中,光合作用就发生在一个小小的组织结构中,我们称之为叶绿体。叶绿体是在几十亿年前的遗留产物,能够自由活动的会光合作用的细菌被更大的微生物吞噬了,但是与类似的情况不同,这命中注定的遭遇并没有以被吞噬的细菌消化殆尽而草草收场。相反的,两种不同的细胞之间形成了一种恒久的伙伴关系,而植物以及海藻的细胞直到今天,依靠的也正是这种伙伴关系,让它们不断获得能量。所以说,为什么不干脆舍弃和共生体合体的想法,抛弃中间环节,直接把叶绿体为我所用呢?


至少有一种动物做到了这一点——海天牛属海参。这种美丽的生物以海藻为食,同时又将叶绿体为己所用。海天牛属生物专家Mary Rumpho做了这样的描述,这些偷来的叶绿体在海参的消化道内一字排开,为海参提供着能量,并使它能够“像植物一样生存”。这样的联系对于海参至关重要,如果不是这样的话,它们就很难成年。


授人以叶


现在仍然不清楚海参是如何维持并且利用叶绿体的。这样的结构并不是绿色版的U盘。你不能指望将相关材料注入新的宿主就期待能够正常工作,因为很多叶绿体利用到的蛋白质是在宿主自己的细胞中编码完成的。这些以百计的蛋白质,是在细胞核中制造的,并且又移植到了叶绿体中。海参的基因组中收编了至少一个海藻的基因,还有更多的等待发现,但是如果我们为了维持一个叶绿体的功能,而去收编上百个必要的基因片段,这也不太可能。


我们又一次陷入了谜团。剑桥大学的Chris Howe目前这样说道,“如果想要在新的动物宿主和叶绿体间建立联系,我们就需要所有的额外的支持系统。我们必须把那些基因融入到宿主的基因组中去。”有了上百条这样的基因,我们就可以把人类的细胞变成叶绿体的新的能够适应的新家,但这项基因工程注定规模浩大。


即使我们做到了这些,结果将是什么?即使共生体能够生存,即使我们成功地添加了受控制的基因,会给我们带来什么改变吗?也许不会。如果我们不能够把自己以最大限度暴露在阳光之下,那么光合作用只是浮云。光合作用需要的是一大片平面,这关乎到它的产量。植物能够做到是因为它们有大面积的,平面的、捕捉阳光的表面——叶子。而海天牛属的海参,平坦而鲜绿,看上去就像一片会动的叶子。它还是透明的,这样光就可以穿过它的组织,进入里面的叶绿体了。

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